Nghiên cứu đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông tự lèn dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

Đề tài nghiên cứu khoa học Y T H Cu, C H Ho, T K Cu, T N Cao, P H Nguyen V N Chau, "Nghiên cứu chế tạo bê tơng có tính chất phù hợp bơm cho cơng trình siêu cao tầng," Đề tài NCKH cấp Đại học Quốc gia loại C, mã số C2020-20-15, hợp đồng số C2020-20-15/HĐ-KHCN ngày 20/01/2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CÙ THỊ HỒNG YẾN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG LƯU BIẾN CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG TỰ LÈN DÙNG ĐỂ THI CÔNG BƠM CHO CƠNG TRÌNH SIÊU CAO TẦNG Ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp Mã số ngành: 62580208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PGS.TS Trần Văn Miền Người hướng dẫn 2: TS Hồ Hữu Chỉnh Phản biện độc lập: PGS TS LÊ TRUNG THÀNH Phản biện độc lập: PGS TS NGUYỄN DUY HIẾU Phản biện: PGS TS VŨ HỒNG NGHIỆP Phản biện: PGS TS NGUYỄN MINH LONG Phản biện: TS NGUYỄN ĐÌNH HÙNG Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án theo hình thức bảo vệ trực tuyến, link Google meet: https://meet.google.com/jvw-wgfj-edp vào lúc 00 ngày 13 tháng 11 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí quốc tế Y T H Cu, M V Tran, C H Ho, and P H Nguyen, “Relationship between workability and rheological parameters of self-compacting concrete used for vertical pump up to supertall buildings,” J Build Eng., vol 32, no 11, pp 1–12, 2020 Tạp chí nước Y T H Cu, M V Tran, C H Ho, T K Cu, T N Cao, P H Nguyen V N Chau, “Ảnh hưởng tro bay đến tính lưu biến co ngót bê tơng tự lèn sử dụng bơm cho cơng trình siêu cao tầng,” Tạp chí Xây dựng, số 9, pp 91–95, 2020 Y T H Cu, M V Tran, C H Ho, C V H Le T N Liên, “Ảnh hưởng tro bay silicafume đến tính cơng tác bê tơng tự lèn sử dụng cho cơng trình siêu cao tầng,” Tạp chí Xây dựng, số 11, pp 60–64, 2019 P H Nguyen, M V Tran, and Y T H Cu, “Ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ ẩm đến khả kháng co ngót bê tơng tự lèn”, Tạp chí Xây dựng, số 11, pp 108–111, 2019 M V Tran, P H Nguyen, and Y T H Cu, “Effect of Fly Ash on Shrinkage of Self-Compacting Concrete Using Restrained Ring Test”, Journal of Science and Technology in Civil Engineering, vol 13, no 3, pp 26–33, 2019 Kỷ yếu hội nghị quốc tế M V Tran, and Y T H Cu, “Rheology of self-compacting concrete used for supertall buildings,” in Proceedings of the Interdependence between Structural Engineering and Construction Management, vol 6, no 1, Chicago, USA, 2019 (Scopus index, ISSN: 2644-108X; ISBN: 978-09960437-6-2) Y T H Cu, M V Tran, and P H Nguyen, “Investigation on the workability of concrete for super tall buildings,” in Proceedings of the 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards, Hanoi, Vietnam, 2018, pp 247–253 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Hỗn hợp bê tông tự lèn (BTTL) hỗn hợp bê tơng có độ lưu động cao, không bị phân tầng, tách lớp cốt liệu hồ xi măng Loại bê tông sử dụng thi công cho cấu kiện bê tơng có bố trí cốt thép dày đặc Đối với hỗn hợp BTTL dùng để bơm cho cơng trình siêu cao tầng (chiều cao cơng trình 300m), ngồi thơng số kỹ thuật tính dẻo, hỗn hợp bê tông cần phải đáp ứng yêu cầu chống lại phân tầng, tách nước áp lực cao Hơn nữa, chiều cao cơng trình lớn làm cho hỗn hợp bê tông bị giữ lại lâu đường ống, lực ma sát hỗn hợp bê tông với thành ống lớn với ảnh hưởng nhiệt độ từ môi trường xung quanh làm cho hỗn hợp bê tơng dễ bị đóng rắn gây tắc nghẽn đường ống Do đó, liên tục cấp phối hạt hỗn hợp BTTL giúp cho tổng lực liên kết phân tử hạt lớn, làm cho hỗn hợp BTTL có độ ổn định cao áp lực bơm lớn so với hỗn hợp bê tông thơng thường có độ chảy Đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL tính chất đặc biệt quan trọng để hỗn hợp BTTL giữ tính đồng tính cơng tác tốt, khơng bị phân tầng, chảy vữa q trình thi cơng Hai thơng số đặc trưng cho tính lưu biến hỗn hợp BTTL ứng suất chảy độ nhớt dẻo xác định lưu biến kế để nghiên cứu mở rộng tính dẻo hỗn hợp BTTL Từ đó, thiết kế lựa chọn hợp lý hỗn hợp BTTL dùng để bơm thẳng đứng với áp lực cao cho cơng trình siêu cao tầng Hiện nay, nhu cầu sử dụng hỗn hợp BTTL để thi cơng bơm cho cơng trình cao 300m cần thiết cấp bách Đặc biệt hỗn hợp BTTL thi công bơm thẳng đứng, cần tập trung nghiên cứu đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL này, có liên quan đến khả thi công bơm để bảo đảm chất lượng BTTL vấn đề khoa học cần phải đặt ra, để làm tảng nghiên cứu phát triển Nhận thấy tầm quan trọng vấn đề, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu đặc trưng lưu biến hỗn hợp bê tông tự lèn dùng để thi 2) Đã hệ thống hóa sở lý thuyết khoa học đặc trưng lưu biến, ứng xử cơng bơm cho cơng trình siêu cao tầng” cho luận án tiến sĩ theo mơ hình Bingham, với thơng số ứng suất chảy 0 độ nhớt dẻo  Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu (chương 2) Mục tiêu Luận án nghiên cứu đặc trưng lưu biến hỗn hợp bê tông 3) Trên sở phương pháp thực nghiệm, đề xuất phương pháp thiết kế tỉ lệ bơm tự lèn để làm tảng thiết kế tỉ lệ thành phần nguyên vật liệu thiết thành phần nguyên vật liệu cho hỗn hợp BTTL dùng bơm Đã đưa phương lập quy trình kiểm sốt chất lượng bê tơng thi cơng bơm cho cơng trình siêu cao pháp thực nghiệm xác định thông số ứng suất chảy 0 độ nhớt dẻo  độ tầng Để đạt mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu xác định chảy xòe (SF), T500, TV tính dẻo hỗn hợp bê tơng bơm Đã xây dựng sau: quan hệ thông số kỹ thuật tính cơng tác đặc trưng lưu biến hỗn   Nghiên cứu thiết lập sở khoa học đặc trưng lưu biến, thơng số kỹ thuật tính cơng tác hỗn hợp BTTL, đặc biệt hỗn hợp 4) Đã nghiên cứu xây dựng vùng đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL BTTL dùng thi công bơm cho cơng trình siêu cao tầng dùng để thi cơng bơm cho cơng trình siêu cao tầng, có ứng suất chảy dao động Nghiên cứu thông số kỹ thuật tính cơng tác tính chất lưu biến hỗn hợp BTTL sử dụng bơm cho cơng trình siêu cao tầng (chiều cao cơng trình từ 300m trở lên);  Xây dựng tương quan thông số kỹ thuật tính cơng tác đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL thông qua mối quan hệ độ chảy xòe (SF) với ứng suất chảy (o) thời gian chảy xịe đạt đường kính 500mm (T500), thời gian chảy qua phễu V (Tv) với độ nhớt dẻo (µ)   hợp bê tơng (SF-0, T500-0, Tv -0, SF-,T500-, Tv-) Đề xuất vùng thơng số kỹ thuật tính cơng tác biểu đồ quan hệ từ đến 18 Pa, độ nhớt dẻo thay đổi từ 36 đến 54 Pa.s Hình 4.19 trang 107 Vùng đặc trưng lưu biến nghiên cứu để áp dụng thiết kế CPBT bơm tự lèn 5) Trên sở áp dụng thi công bơm ngang thử nghiệm trường với chiều dài đường ống bơm 300m 1000m, kiểm tra chất lượng đạt yêu cầu kỹ thuật Đã thiết lập quy trình cơng nghệ thi cơng bơm bê tơng trường Kiến nghị hướng nghiên cứu ứng suất chảy độ nhớt dẻo hỗn hợp BTTL dùng để thi công bơm 1) Trên sở nghiên cứu thay đổi thông số độ dẻo hỗn hợp bê tơng cho cơng trình siêu cao tầng bơm tự lèn, dùng nhiều chủng loại phụ gia hàm lượng khác để Nghiên cứu thiết kế cấp phối nguyên vật liệu thiết lập quy trình kiểm sốt chất lượng bê tơng thi cơng bơm Phạm vi đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn hệ nguyên vật liệu để thiết kế hỗn hợp BTTL đạt yêu cầu thơng số kỹ thuật tính cơng tác (T500, độ chảy xòe, TV, tỉ lệ phân tầng cường độ chịu nén) bơm cho cơng trình siêu cao tầng thiết kế cấp phối hỗn hợp bê tông Chính vậy, cần nghiên cứu ứng dụng loại phụ gia hàm lượng khác ảnh hưởng đến giá trị ứng suất chảy độ nhớt dẻo hỗn hợp bê tông 2) Thực nghiên cứu mở rộng thay đổi ứng suất chảy độ nhớt dẻo BTTL kéo dài thời gian bơm tăng tốc độ bơm bê tông thực tế thi công, đặc biệt với nhà siêu cao tầng Xây dựng quan hệ thông số kỹ thuật với đặc trưng lưu biến 27 Bảng 5.4 Kết tính cơng tác tính lưu biến hỗn hợp SCC-Trial 13,07  (Pa.s) 34,07 Quan sát định tính BTTL Chảy tốt 4,13 128 17,8 Chảy tốt 1,66 2,51 168,73 5,52 Chảy tốt 780 1,02 2,02 15,3 13,08 Chảy tốt Đối tượng nghiên cứu: kỹ thuật công nghệ bê tông bơm tự lèn cho cơng 800 0,55 1,89 16,05 7,03 Chảy tốt trình siêu cao tầng Mẫu PTN Độ chảy xòe (mm) 730 Tv (s) 2,08 Trước bơm 350m 570 1,85 Sau bơm 350m 530 Trước bơm 1000m Sau bơm 1000m T500 (s) (Pa) hỗn hợp BTTL Từ đó, đề xuất vùng tính cơng tác biểu đồ quan hệ ứng suất chảy độ nhớt dẻo hỗn hợp BTTL bơm cho cơng trình siêu cao tầng xây dựng quy trình kiểm sốt chất lượng bê tơng thi cơng bơm Phương pháp nghiên cứu 5.4 Kết luận chương Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên Việc tính tốn lựa chọn công suất máy bơm đặc trưng lưu biến tham cứu thực nghiệm khảo theo ACI 304-2R.17 Quá trình thực nghiệm cho thấy hạn chế áp dụng Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sở khoa học tính dẻo, sở khoa bảng tra BTTL có khả chảy xịe, số nhớt b đồ thị chọn công suất bơm theo giá trị độ sụt Do đó, việc bơm ngang kiểm chứng lại kết nghiên cứu cần thiết học đặc trưng lưu biến bao gồm: cấu tạo hỗn hợp BTTL, mối quan hệ ứng suất chảy với độ nhớt dẻo Tất sở làm tảng cho nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất lượng nguyên Kết bơm ngang kiểm chứng khẳng định vùng đặc trưng lưu biến có ứng suất vật liệu đến thông số kỹ thuật đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL dùng chảy dao động từ 10 đến 26 Pa, độ nhớt dẻo dao động từ 41 đến 52 Pa.s Hình thi cơng bơm cho cơng trình siêu cao tầng Phương pháp thiết kế cấp phối hỗn 4.12, ứng với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ đến s Tv từ hợp BTTL phương pháp đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo hỗn đến 6s, có khả kháng phân tầng tốt, áp dụng để chế tạo BTTL hợp BTTL bơm đứng cho cơng trình siêu cao tầng Nghiên cứu thực nghiệm: Áp dụng phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn phi tiêu chuẩn Trong phương pháp tiêu chuẩn, thực theo hướng dẫn thí nghiệm tiêu chuẩn EN châu Âu, ASTM Mỹ TCVN Việt Nam Sử KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ dụng phương pháp phi tiêu chuẩn nhà khoa học trước Kết luận chung Những đóng góp luận án Từ kết nghiên cứu luận án rút số kết luận sau đây: 1) Đã nghiên cứu tổng quan nghiên cứu trước giới, tổng hợp có hệ thống thơng số tính chất hỗn hợp bê tơng dùng cho công nghệ bơm, (1) Đây nghiên cứu Việt Nam, nghiên cứu mở rộng khoa học đặc trưng lưu biến hỗn hợp BTTL, dùng để thi cơng bơm cho cơng trình siêu cao tầng cụ thể độ chảy xòe, TV, lượng nước tách V, đặc biệt thông số đặc (2) Đã đề xuất vùng tính công tác đồ thị lưu biến hỗn hợp bê tông trưng lưu biến hỗn hợp bê tông (0, ), kết hợp với phương pháp xác định bơm giúp người kỹ sư áp dụng thông số kỹ thuật hỗn hợp bê tông bơm vùng đặc trưng, thông qua 0,  để làm tảng nghiên cứu mở rộng đến việc thiết kế thi công bơm bê tơng cho cơng trình siêu cao tầng 26 (3) Đã xây dựng phương pháp thiết kế tỉ lệ hỗn hợp thành phần nguyên vật liệu 5.3 Kiểm chứng với cấp phối vùng tính cơng tác đề xuất tính chất đặc trưng hỗn hợp BTTL bơm dùng cho cơng trình siêu cao Để đánh giá khả bơm ngang với cấp phối nghiên cứu, tác giả kiểm tầng chứng với cấp phối có ứng suất chảy độ nhớt dẻo vùng tính cơng (4) Đã đề xuất bước quy trình cơng nghệ áp dụng hỗn hợp BTTL tác đề xuất Hình 4.12 trang 107 Đối với cấp phối SCC-Trial, thành phần thi công bơm trường nguyên vật liệu thay đổi loại silica fume, tỉ lệ phối trộn cát sông cát nghiền, tỉ lệ N/CKD phụ gia hóa học Bảng 5.2 Bảng 5.3 Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 126 trang thuyết minh, tham khảo 80 tài liệu Luận án Bảng 5.2 Thành phần nguyên vật liệu hỗn hợp BTTL bơm ngang chia thành: phần mở đầu, chương, phần kết luận Khối lượng gồm 30 bảng biểu, Vật liệu Nguồn cung cấp Khối lượng riêng (g/cm3) 85 hình (bao gồm 27 đồ thị kết nghiên cứu) Cát sông Cát vàng sông Đồng Tháp 2,67 Cát nghiền Mỏ đá Tân Cang, Đồng Nai 2,75 Đá dăm Dmax=12,5mm Mỏ đá Tân Cang, Đồng Nai 2,75 Xi măng PC50 Xi măng Nghi Sơn PC50 3,1 Tro bay loại F Duyên Hải, Trà Vinh Silicafume ICCI Phụ gia hóa học (SP VMA) Kao(MVN300-LSC) CHƯƠNG TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỖN HỢP BÊ TƠNG TỰ LÈN DÙNG THI CƠNG BƠM CHO CƠNG TRÌNH SIÊU CAO TẦNG 1.1 Tình hình nghiên cứu giới tính chất hỗn hợp BTTL dùng bơm cho cơng trình siêu cao tầng Bảng 5.3 Cấp phối hỗn hợp BTTL bơm ngang Hiện giới có nhiều cơng trình nghiên cứu thơng số kỹ thuật tính cơng tác đặc trưng lưu biến ảnh hưởng thông số đến khả bơm hỗn hợp bê tơng nói chung BTTL nói riêng Hơn nữa, tiêu chuẩn ACI 237R Mỹ năm 2007, tài liệu hướng dẫn thí nghiệm BTTL EN 12350-2010 châu Âu, tiêu chuẩn bê tông BTTL Nhật có quy định cụ thể trình tự thí nghiệm, phân loại cách đánh giá hỗn hợp bê tơng nói chung BTTL bơm cho cơng trình nhà cao tầng nói riêng Tên mẫu XM Nước FA Silica fume (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) 195 108 32 195 108 32 SCC400 Trial-350 SCC-Trial- 400 1000 SP+VMA Cát sông Cát nghiền Đá (l/m3) (kg/m3) (kg/m3) (kg/m3) 0,361 7,02 552 297 752 0,361 8,10 573 312 729 N/CKD Quan sát kết sau bơm ngang, giá trị có thay đổi, đảm bảo thông số kỹ thuật tính cơng tác u cầu mẫu trộn phịng thí nghiệm (PTN) Hỗn hợp BTTL sau bơm có độ chảy xịe thay đổi tăng giảm Trong tiêu chuẩn ACI 238.1R-08 trình bày mơ hình đánh giá khả kháng phân tầng nhỏ 15%, hỗn hợp không bị khả lưu biến hỗn hợp BTTL Bên cạnh đó, tiêu chuẩn trình bày phân tầng tách nước, không xảy tượng nghẽn đường ống thí nghiệm xác định lưu biến hỗn hợp bê tơng, bao gồm thí nghiệm bơm ngang 350m, 650m 1000m Thí nghiệm bơm ngang với chiều dài đường xác định thông số lưu biến (thí nghiệm độ sụt, độ chảy xịe, K-slump, ) ống tối đa 1000m kiểm chứng vùng tính cơng tác biểu đồ lưu biến thí nghiệm xác định nhiều thông số lưu biến (nhớt kế BML, nhớt kế BTRHEOM, đề xuất cho BTTL sử dụng bơm thẳng đứng lên cao IIB, ICAR, ) 25 áp lực bơm cần thiết cỡ 115 bar Quy trình kiểm sốt chất lượng bê tơng thi cơng Về nghiên cứu hỗn hợp BTTL thi cơng bơm cho cơng trình siêu cao tầng, Nehdi bơm trường cho công trình siêu cao tầng đề xuất Hình 5.1 Bester tổng hợp nghiên cứu hiệu sử dụng hỗn hợp BTTL bơm cho Thiết kế cấp phối BTTL PTN Mác BT 60MPa + Độ xòe: 680 - 750 mm + T500 : - (s) + Tv : - (s) 0=(918) Pa.s ; =(3654)Pa Bơm ngang 300m Kiểm tra thơng số tính dẻo (SF, T500 , Tv lưu biến (0, ) hỗn hợp BT sau bơm ĐẠT cơng trình siêu cao tầng Aldred thi cơng tịa nhà Burj Khalifa với 166 Chọn áp lực bơm ngang ACI 304-2R.17 tầng chiều cao 828m Các tác giả giới thiệu cấp phối C80-20 C80-14 KHÔNG ĐẠT ĐẠT Bơm hỗn hợp BTTL sử dụng có khoảng 50% cốt liệu nhỏ, tro bay thay 13-20% silica fume thay 5-10% (Bảng 1.4) Càng lên cao, Dmax đá Kiểm tra thông số tính dẻo (SF, T500 , Tv lưu biến (0, ) hỗn hợp BT trước bơm giảm từ 20 mm tới 14 mm áp lực bơm lên cao lớn Ngoài ra, Kiểm tra thơng số tính dẻo (SF, T500 , Tv lưu biến (0, ) hỗn hợp BT trước bơm áp lực bơm vào khoảng 200 bar Hình 1.11 Trong trình bơm, cấu kiện vị trí cao tầng 127 Dmax cốt liệu lớn phải nhỏ 10mm, lúc độ nhớt dẻo hỗn hợp bị giảm nửa ứng suất chảy động tăng gấp đôi Điều cho gia tăng nhiệt độ BTTL trình bơm Kiểm tra thơng số tính dẻo (SF, T500 , Tv lưu biến (0, ) hỗn hợp BT sau bơm nên đưa vào tính tốn thiết kế hỗn hợp BTTL Bơm ngang 1000m Bơm Bơm thẳng đứng Hình 5.1 Quy trình kiểm sốt chất lượng bê tơng thi cơng bơm trường 5.2 Thiết lập thí nghiệm bơm ngang kiểm chứng 120 m Bơm 3m 3m 3m 6m Xe bồn 120 m Hình 5.3 Sơ đồ bố trí đường ống bơm ngang 1000m Thay kiểm chứng bơm ngang 1200m, mục tiêu việc kiểm chứng bơm Hình 1.11 Biểu đồ quan hệ áp lực bơm (bar) với chiều cao bơm (m) phụ thuộc vào Dmax hạt CLL với hỗn hợp bê tông sử dụng cho Burj Khalifa Bảng 1.4 Một số đặc trưng cấp phối hỗn hợp bê tơng cho cơng trình Burj Khalifa ngang cần áp lực bơm 120 bar Mặt bố trí thêm co 90o để giảm Tro bay (%) Silicafume (%) Dmax CLL (mm) Độ chảy xòe (mm) Chiều cao bơm (m) f’c (MPa) chiều dài đường ống Để đạt áp lực bơm 130 bar, với chiều dài đường ống bơm 13 10 20 ~600